CC BY
29
STUDY OF WORK OF THE FLAT HEAT PIPE FOR COMPLEX
THERMAL LOADS Gadelshin M.1, Kibardin A.2, Dolgirev Yu.3, Zakirov A.4, Skvortsov D.5 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПЛОСКОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ ПРИ
СЛОЖНЫХ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ Гадельшин М. Ш.1, Кибардин А. В.2, Долгирев Ю. Е.3, Закиров А. А.4,
Скворцов Д. В.5
'Гадельшин Марат Шавкатович / Gadelshin Marat - кандидат физико-математических наук, доцент; 2Кибардин Алексей Владимирович /Kibardin Alexey - кандидат физико-математических наук, доцент; 3Долгирев Юрий Евгеньевич /Dolgirev Yurij - кандидат физико-математических наук, доцент; 4Закиров Айдар Ахматнурович / Zakirov Aydar — студент; 5Скворцов Даниил Вячеславович / Skvortsov Daniil - студент, кафедра технической физики, физико-технологический институт, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург
Аннотация: в данной статье представлены результаты тепловизионного исследования работы плоской тепловой трубы из нержавеющей стали с размерами: длина 260 мм, ширина 144 мм и толщина 3.5 мм. Капиллярно-пористая структура изготовлена диффузионной сваркой мелкоячеистых сеток. В качестве рабочей жидкости использовался ацетон. Измерения были выполнены при различных ориентациях в условиях сложных тепловых нагрузок, когда одинарная тепловая нагрузка воздействует вместе с дополнительной. Показано, что имеет место достаточно высокая эффективность работы испарителя в этих условиях при суммарной тепловой нагрузке 135 Вт; при наклоне ф = 30° коэффициент теплоотдачи при испарении C составил 2600 Вт/(м2К).
Abstract: in this article the results of experimental investigation offlat heat pipes of stainless steel by thermal imager with dimensions: length 260 mm, width '44 mm and thickness of 3.5 mm are presented. Capillary-porous structure of the heat pipe is made by diffusion welding of fine-meshed nets. The working fluid used acetone. The measurements were made at different orientations in condition of complex thermal loads. Single thermal load impacted with additional. It is shown that there is a high efficiency of evaporator work under these conditions when the total heat load is equal '35 W. For the slope ф = 30° evaporation heat transfer coefficient C was 2600 W/(m K).
Ключевые слова: плоская тепловая труба, отвод тепла, плотность тепловой нагрузки, коэффициент теплоотдачи при испарении, тепловизор.
Keywords: flat heat pipe, heat removal, the density of the heat load, evaporation heat transfer coefficient, thermal imager.
Для решения проблем термостабилизации успешно применяются тепловые трубы [1, 2] и термосифоны [3]. Наибольший интерес представляют конструкции, которые просты в изготовлении. В этом плане плоские тепловые трубы (ПТТ) являются привлекательными [2,4, 5]. Тепловые трубы, а также термосифоны могут быть эффективно исследованы тепловизионными методами [4 - 7].
В работах [4, 5] представлены результаты тепловизионных испытаний в условиях тепловой нагрузки от одинарного источника тепла, дано описание конструкции и методики обработки данных. Но площадь нагревателя составляла лишь пятую часть от рабочей поверхности ПТТ, поэтому интересно исследовать работу при дополнительной тепловой нагрузке, равномерно распределенной на всей рабочей поверхности. На рис. 1 представлена схема испытания.
Рис. 1. Схема испытания: 1 — плоская тепловая труба; 2 — водяной контур для отвода тепла; 3 — медная пластина, 4 — плоский нагреватель в виде стальной пластины, 5 — электрические контакты
Плоская тепловая труба (ПТТ) 1 выполнена из нержавеющей стали; размеры составили: длина - 260 мм, ширина - 144 мм, толщина - 3.5 мм. Капиллярно-пористая структура тепловой трубы получена диффузионной сваркой одновременно нескольких слоев мелких сеток (три слоя с размерами ячеек 0.080 мм и шесть слоев с размерами ячеек 0.056 мм) с корпусом из листа толщиной 0.3 мм.
В качестве паропровода использована крупная сетка толщиной 2 мм, выполненная из проволоки диаметром 1 мм с шагом 3 мм; она также соединена обеими сторонами диффузионной сваркой с капиллярно-пористой структурой.
Контур охлаждения 2 области конденсации выполнен на основе плоских медных пластин 3. Подача тепловой нагрузки осуществляется пропусканием тока по стальным пластинам 4 длиной 133 мм, шириной 38 мм и толщиной 1.2 мм. Пластины 3 и 4 контактируют с корпусом через тонкий слой теплопроводной пасты. В дополнение к тепловой нагрузке от пластин 4, которую назовём одинарной тепловой нагрузкой 2, к тепловой трубе подводится дополнительная равномерно распределенная тепловая нагрузка 2доп., которая организуется прямым пропусканием тока по корпусу ПТТ через контакты 5.
Измерения были проведены при различных ориентациях (наклонах) ПТТ: вертикальной с ф=-90°, горизонтальной и с наклоном ф=+30°. Угол наклона ПТТ ф определялся как двугранный угол между плоскостью тепловой трубы и горизонтальной плоскостью; положительные углы ф соответствуют расположению зоны испарения выше зоны конденсации. В качестве теплоносителя использовался ацетон.
Измерения выполнены путем организации сложной схемы тепловых нагрузок: а) при подводе тепла 2 только от одинарного нагревателя; б) при суммарном подводе тепла 2сумм. от одинарного нагревателя 2 и дополнительной тепловой нагрузки 2доп. При испытаниях значения 2 на одинарном нагревателе составляли 21, 54 и 84 Вт, что соответствует плотностям тепловых нагрузок 0.21, 0.54 и 0.84 Вт/см2. Дополнительная распределенная тепловая нагрузка 2доп. составляла 51 В.
По данным измерений были проведены оценки коэффициента теплоотдачи при испарении X (рис. 2 и 3). При организации подвода тепла только от одинарного нагревателя значения коэффициента теплоотдачи при 2=85 Вт составили, соответственно, около 1500 и 1700 Вт/(м2К) при значениях ф = 0° и 30° (рис. 2). Более высокие значения коэффициента теплоотдачи при испарении имеют место при суммарном подводе тепла. При ф = 30° и суммарной тепловой нагрузке равной 135 Вт коэффициент теплоотдачи при испарении X составил 2600 Вт/(м2К) (рис. 3).
Проведённое исследование показало достаточно высокую эффективность работы испарителя плоской тепловой трубы в условиях сложных тепловых нагрузок при значительных уровнях одинарной и дополнительной тепловых нагрузок, суммарно составляющих 135 Вт.
Зависимость коэффициента теплоотдачи
2000 1800 1600 1400 1200 1000
-ориент. верт. -ориент. гориз.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 2, Вт
-¿а- ориент. наклон
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи при испарении от мощности 2 при подводе тепла
только от одинарного нагревателя
Зависимость коэффициента теплоотдачи
3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400
_i_I_I_I_I_I_L_
1020 30 4050 60 708090 Q, Вт
ориент. верт.
ориент. гориз.
ориент. наклон
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи при испарении от мощности тепловой нагрузки 2
при суммарном подводе тепла
Литература
1. Дан П. Д., Рей Д. А. Тепловые трубы / пер. с англ. Ю. А. Зейгарник. М.: Энергия, 1979. 272 с.
2. Герасимов Ю. Ф., Долгирев Ю. Е., Гадельшин М. Ш. Крупногабаритные плоские тепловые трубы // II Минский международный форум (18 - 22 мая 1992 г.) «Тепломассобмен ММФ-1992». Том VII. Тепломассообмен в капиллярно--пористых средах. Минск: Академия наук Беларуси «АНК Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова», 1992. С. 108-114.
3. Кисеев В., Аминев Д., Черкашин В., Мурзин Р. Двухфазные теплопередающие системы для охлаждения светодиодных светильников // Полупроводниковая светотехника, 2011. № 3. С. 27-31.
4. Гадельшин М. Ш., Кибардин А. В., Гадельшин В. М. Работоспособность испарителя плоской тепловой трубы при различных ориентациях // Проблемы современной науки и образования, 2016. № 3 (45). C. 71-75.
5. Гадельшин М. Ш., Кибардин А. В., Выгузова К. В. Применение программного продукта ThermaCAM Researcher в исследовании теплопередающих устройств // Проблемы современной науки и образования, 2016. № 30 (72). C. 30-32.
6. Гадельшин М. Ш., Кибардин А. В., Гадельшин В. М.Теплопередающая способность термосифона на основе испарителя с мелкосетчатой капиллярной структурой // Проблемы современной науки и образования, 2016. № 5 (47). C. 47-50.
7. Гадельшин М. Ш., Гадельшин В. М., Иванов А. В. Исследование работы термосифона с использованием тепловизора // Теплофизика и энергетика. Конференция с международным участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике» (12 - 14 ноября 2013 г.). Тезисы докладов. Екатеринбург: УрФУ, 2013. С. 47.
